張宏林

(西安思源學(xué)院，陜西西安710038)

1 電主軸主軸軸承的選用

電主軸電機(jī)轉(zhuǎn)子套裝于主軸之上，使電機(jī)和主軸合為一體，真正實(shí)現(xiàn)了零傳動(dòng)，使電機(jī)與主軸間的傳動(dòng)誤差降至最小。隨著對(duì)機(jī)床加工效率要求的日益提高，也伴隨著高速切削刀具和高速加工技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，迫切需求電主軸獲得更高的轉(zhuǎn)速。電主軸的支承核心是高速精密主軸軸承，其性能好壞直接影響電主軸的工作性能。因此，提高主軸轉(zhuǎn)速的前提是開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)越的高速主軸軸承。

目前，主軸的支承主要有磁浮軸承、陶瓷球軸承、液體動(dòng)靜壓軸承3 種形式。

磁浮軸承是一種高性能非接觸式支承軸承，其高速性能好、精度高，但承載力偏低，不適用于以提高加工效率為目標(biāo)的大切深工況需求。

當(dāng)前應(yīng)用最多的高速電主軸軸承是角接觸混合陶瓷球軸承，采用油氣潤(rùn)滑方式。其滾動(dòng)體使用熱壓Si3N4陶瓷球，采用“小珠密珠”結(jié)構(gòu)，軸承內(nèi)外圈仍為鋼圈。這種軸承結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，具有極限轉(zhuǎn)速高、溫升小、剛度大、便于維護(hù)保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適合高速運(yùn)行場(chǎng)合，它的DmN 值已超過(guò)2.7 ×106mm·r/min。但陶瓷球軸承制造難度大、成本高，由于滾珠與軌道為點(diǎn)接觸，局部接觸應(yīng)力很大，因此對(duì)拉伸應(yīng)力和缺口應(yīng)力敏感，壽命相對(duì)較短，精度較難控制。同時(shí)由于高速離心力和陀螺力矩等高速慣性力的作用，會(huì)產(chǎn)生較大的接觸變形［1］，使電主軸的剛性變差，不利于高精度加工。

若主軸采用滑動(dòng)軸承，顯然能提供更高的承載力。但主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，滑動(dòng)軸承內(nèi)微小間隙內(nèi)的油膜會(huì)產(chǎn)生很高的熱量，限制了主軸轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提升。而此時(shí)若改用水潤(rùn)滑，由于水的黏度很低(20℃時(shí)水的動(dòng)力黏度只有約10－3Pa·s)，則可大大降低軸承潤(rùn)滑薄膜的內(nèi)摩擦力和溫升，此方法不失為提高主軸轉(zhuǎn)速的新思路。但也正因?yàn)樗酿ざ鹊?，軸承往往工作于紊流潤(rùn)滑狀態(tài)，單純依靠流體動(dòng)壓效應(yīng)顯然不能滿足軸承對(duì)承載力的要求，因此水潤(rùn)滑軸承大都采用動(dòng)靜壓混合形式。

液體動(dòng)靜壓軸承綜合了液體靜壓軸承和液體動(dòng)壓軸承的優(yōu)點(diǎn)，啟動(dòng)或停車(chē)時(shí)也可形成油膜以防止摩擦磨損。動(dòng)靜壓軸承還能承受方向不斷變化的動(dòng)載荷以及瞬時(shí)過(guò)載，特別適合于鏜、銑床和加工中心等切削振動(dòng)較大的工況，同時(shí)具備較大的承載力。由于動(dòng)靜壓軸承油膜動(dòng)壓效應(yīng)的承載量和軸的轉(zhuǎn)速N 成正比，在主軸轉(zhuǎn)速越高的時(shí)候，其動(dòng)壓效果越明顯，承載力更高，剛性更好。

液體動(dòng)靜壓滑動(dòng)軸承分為深油腔動(dòng)靜壓軸承和淺油腔動(dòng)靜壓軸承。其中淺油腔軸承可省去節(jié)流器，因?yàn)闇\油腔本身還能兼作節(jié)流器，它利用孔式環(huán)面節(jié)流與淺腔節(jié)流串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，使壓力油進(jìn)入油腔中產(chǎn)生足夠大的靜壓承載力，將主軸懸浮在高壓油膜中間。當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，依靠淺腔階梯效應(yīng)形成較大的動(dòng)壓承載力，有效地提高了主軸剛度［2］。同時(shí)由于高壓油膜的誤差均化作用，保證主軸具有很高的旋轉(zhuǎn)精度和良好的抗振性與運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，主軸的徑向跳動(dòng)綜合誤差一般可長(zhǎng)期保持在0.003 mm 以內(nèi)［3］。

如此看來(lái)，水潤(rùn)滑動(dòng)靜壓滑動(dòng)軸承更適合做機(jī)床主軸的支撐。液體動(dòng)靜壓軸承優(yōu)點(diǎn)是:

(1)軸承與軸可處于完全流體潤(rùn)滑狀態(tài)，沒(méi)有直接接觸，也正因?yàn)檫@一點(diǎn)，軸承材料的親水性如何反倒無(wú)關(guān)緊要。由于軸承無(wú)接觸磨損，故使用壽命長(zhǎng)。

(2)由于液體動(dòng)靜壓軸承的壓力油膜具有高阻尼和良好的吸振能力，故主軸運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)特性好。

(3)由于動(dòng)靜壓軸承承載面較大(為軸承直徑D 與軸承寬度B 的乘積)，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能保持很高的承載能力、剛度、旋轉(zhuǎn)精度和抗振性。

但是以上所提及的優(yōu)點(diǎn)，均要求主軸軸承系統(tǒng)的溫升和熱變形得到有效的控制，即主軸系統(tǒng)中應(yīng)采用可靠的循環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)，使電動(dòng)機(jī)與前后軸承溫升控制在一定的范圍內(nèi)，這是真正的問(wèn)題矛盾所在。

具體在軸承設(shè)計(jì)時(shí)，則必須考慮:

(1)由于孔式環(huán)面節(jié)流和淺腔節(jié)流近距離串聯(lián)造成了流動(dòng)液體的紊流現(xiàn)象。紊流流態(tài)能使油膜的承載力增加，剛度和阻尼提高，這是優(yōu)點(diǎn)。但是在相對(duì)剪切運(yùn)動(dòng)和壓力作用下，互相黏滯的油膜內(nèi)各油層之間會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦功耗和油膜溫升，這是缺點(diǎn)。在紊流潤(rùn)滑的工況下，熱效應(yīng)更為顯著［4］。

(2)應(yīng)考慮液體的體積模量的影響，將流體視為彈簧，考慮由于主軸的偏心所造成的動(dòng)壓效應(yīng)對(duì)流體本身的壓縮作用;

(3)軸承的溫升使?jié)櫥后w的黏度發(fā)生變化。在溫升不是很?chē)?yán)重時(shí)，若以水為潤(rùn)滑介質(zhì)，其實(shí)影響并不嚴(yán)重;

(4)以水作為潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)，由于水的汽化壓力高會(huì)產(chǎn)生空穴現(xiàn)象［5］，而溫度的升高會(huì)使滑動(dòng)軸承氣蝕量大大增加。

(5)主軸的高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性因素也應(yīng)考慮在內(nèi)，不能使用雷諾方程而忽略慣性力的影響，而應(yīng)使用N-S 方程進(jìn)行計(jì)算和分析。

2 水潤(rùn)滑動(dòng)靜壓軸承材質(zhì)選擇注意事項(xiàng)

水潤(rùn)滑動(dòng)靜壓滑動(dòng)軸承材質(zhì)選擇應(yīng)考慮的問(wèn)題:

(1)由于相同工況下水膜的厚度約為油膜厚度的1/8，可能會(huì)出現(xiàn)邊界潤(rùn)滑或干摩擦情況(受到?jīng)_擊載荷時(shí))，因此軸承材料應(yīng)具有一定的硬度、較高的耐磨性。

(2)主軸與軸承應(yīng)在硬度上匹配，且有一定的硬度差值，防止某一方磨損過(guò)快。

(3)純水的導(dǎo)電性比普通潤(rùn)滑油高數(shù)億甚至數(shù)百億倍，會(huì)使絕大多數(shù)金屬材料發(fā)生電化學(xué)腐蝕，也會(huì)使高分子化學(xué)材料產(chǎn)生化學(xué)老化，因此軸承材料的耐腐蝕性受到嚴(yán)峻考驗(yàn)。

(4)材料應(yīng)具有一定的減摩性、小的摩擦因數(shù)，以防止瞬間的邊界潤(rùn)滑造成軸承溫度驟升。

(5)材料應(yīng)具有較高的彈性模量，防止彈性變形造成主軸的回轉(zhuǎn)精度和剛度變差。這一點(diǎn)對(duì)機(jī)床主軸尤為重要，因?yàn)闄C(jī)床是“母機(jī)”，是制造機(jī)器的機(jī)器。

(6)材料應(yīng)具有一定的熱導(dǎo)率，防止熱量在軸承處聚集，造成軸承溫度過(guò)高。

(7)材料應(yīng)具有一定的耐熱性，不會(huì)因較高的溫度造成力學(xué)性能大幅下降。

(8)材料或其填充劑與水應(yīng)有一定的親和性，以產(chǎn)生有效潤(rùn)滑作用的表面吸附物，則其潤(rùn)滑性能會(huì)好些。這一點(diǎn)在動(dòng)靜壓軸承選材時(shí)也應(yīng)加以考慮。

(9)材料應(yīng)具有尺寸穩(wěn)定性，精加工后的尺寸可長(zhǎng)期保持。若選擇塑料或橡膠類材料，材料的吸水性、水漲性應(yīng)限制在一定范圍內(nèi)。

(10)材料應(yīng)具有一定的抗沖擊性，防止突然的載荷變動(dòng)造成軸承破損(選擇脆性材料時(shí)牽扯這一問(wèn)題)。

(11)材料應(yīng)具有一定嵌藏性，使流體中的硬質(zhì)顆粒不會(huì)造成軸承過(guò)度磨損。

由以上分析可知，水潤(rùn)滑動(dòng)靜壓滑動(dòng)軸承由于工作間隙非常狹小(潤(rùn)滑水膜設(shè)計(jì)厚度為0.015 mm)，同時(shí)高轉(zhuǎn)速和大切削力矩使電主軸軸承承受極大的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，其工作環(huán)境是非常惡劣的，因此對(duì)滑動(dòng)軸承材質(zhì)的要求也是非?？量痰?。顯然水潤(rùn)滑材質(zhì)的選擇很難同時(shí)滿足以上要求。

以水作潤(rùn)滑介質(zhì)本身也具有以下缺點(diǎn): (1)由于水的沸點(diǎn)低，所以水潤(rùn)滑軸承不能使用在高溫環(huán)境中，軸承的有效冷卻顯得尤為重要; (2)水具有腐蝕性，特別是在電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的作用下，水的電化學(xué)腐蝕性更強(qiáng); (3)水的汽化壓力高，水潤(rùn)滑系統(tǒng)中很容易產(chǎn)生氣蝕，這會(huì)影響水的體積彈性模量，同時(shí)氣泡凝結(jié)處局部的高溫、高壓使材料表面產(chǎn)生疲勞并受到侵蝕。

現(xiàn)對(duì)常見(jiàn)的水潤(rùn)滑軸承材料進(jìn)行分析，以選擇適用的材料。

3 水潤(rùn)滑動(dòng)靜壓軸承材質(zhì)選擇

材質(zhì)選擇首先應(yīng)注意材料的彈性模量，這是因?yàn)楫?dāng)軸承體結(jié)構(gòu)剛度比油膜剛度大很多時(shí)，油膜擠壓阻尼是主要的阻尼源;如果軸承結(jié)構(gòu)剛度比油膜剛度小很多時(shí)，則大部分變形發(fā)生在軸承體上，此時(shí)軸承體結(jié)構(gòu)阻尼Cs是主要阻尼源，因?yàn)榇藭r(shí)高剛度水膜猶如一個(gè)剛體，則水的高阻尼就對(duì)結(jié)構(gòu)共振和干擾力不起多大的阻尼作用了［6］。用體積模量K 表征液體抵抗變形的能力

水在20 ℃和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的體積模量K 值為2.18 GPa，那么所選軸承材料的彈性模量至少不應(yīng)該比這個(gè)數(shù)值小，否則主軸的剛性和阻尼性變差。

圖1 動(dòng)靜壓軸承和軸承體結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)模型

如圖1 所示，是一個(gè)動(dòng)靜壓軸承油膜和軸承體組成的低頻振動(dòng)力學(xué)模型，軸的質(zhì)量為m，油膜和軸承體的剛度和阻尼分別 為 Kb、Cb和 Ks、Cs。在干擾力F (t)作用下，總的位移xi為油膜體變形xb和xs之和，即

顯然當(dāng)軸承的彈性模量大時(shí)，總位移xi會(huì)小些，即軸承的徑向跳動(dòng)會(huì)小些，此時(shí)主軸具有更高的加工精度。

表1 不同材料的彈性模量

由表1 可看出:塑料和橡膠具有較低的彈性模量，甚至比水的體積模量更小，不適合作高精度機(jī)床的軸承支撐。比如塑料材料中應(yīng)用最多的塑料軸承是酚醛樹(shù)脂軸承和氟化乙烯樹(shù)脂軸承，另外還有超高分子量聚乙烯、尼龍、聚四氟乙烯和聚酞胺等，它們都是優(yōu)良的水潤(rùn)滑軸承材料，但其彈性模量普遍較低，因此不適宜作精密電主軸軸承的支撐?，F(xiàn)列出作者推薦的軸承材料。

方案一:青銅軸承配不銹鋼軸

傳統(tǒng)的滑動(dòng)軸承材料多為金屬，金屬材料的彈性系數(shù)和硬度高，耐磨性很好，在高負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速的邊界潤(rùn)滑條件下得到很多應(yīng)用。但是其密度大、熱導(dǎo)率與熱膨脹系數(shù)大，如果用在精密主軸系統(tǒng)中，主軸性能會(huì)隨著軸承溫度的變化受到很大影響，因此應(yīng)設(shè)計(jì)可靠的冷卻系統(tǒng)。同時(shí)由于金屬有腐蝕問(wèn)題，因此用作水潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承的金屬多是青銅、高強(qiáng)度黃銅和鋁青銅等材料。由于軸也會(huì)產(chǎn)生腐蝕，必須采用不銹鋼，或經(jīng)鍍鉻處理的軸材料。但在電主軸這種特殊的工作環(huán)境下，鍍鉻處理的軸材料在水這種電解質(zhì)中會(huì)因異種金屬接觸產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，因此應(yīng)采用整體不銹鋼制作主軸。

方案二:陶瓷軸承配不銹鋼軸

陶瓷材料具有高硬度、耐磨損、耐化學(xué)腐蝕、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)良特性，因此它可以適應(yīng)水潤(rùn)滑短時(shí)間內(nèi)的的邊界摩擦和干摩擦狀態(tài)，同時(shí)也不易發(fā)生腐蝕。在水潤(rùn)滑條件下，Al2O3經(jīng)流體摩擦?xí)a(chǎn)生Al(OH)3，可以提高其耐磨性。非氧化物陶瓷Si3N4和SiC 會(huì)發(fā)生較明顯的水合反應(yīng)，形成一層膠狀SiO2反應(yīng)層附著在摩擦副表面［7－8］，使表面如同拋光一樣非常光滑，同時(shí)更利于完整水膜的形成，保證水潤(rùn)滑軸承的剛度及精度，因此硅基陶瓷軸承在水潤(rùn)滑條件下性能更好。由此可見(jiàn)，水潤(rùn)滑陶瓷軸承可以使用在高溫、高速場(chǎng)合，具備實(shí)現(xiàn)高速高精度指標(biāo)的條件。

但是以陶瓷做水潤(rùn)滑材料也有其缺點(diǎn)，需加以防范:

(1)最顯著的缺點(diǎn)是陶瓷軸承脆性大，抗沖擊性和抗振性能均差，在沖擊載荷的作用下易碎。

(2)陶瓷軸承對(duì)磨粒的嵌藏性能差，一旦磨粒進(jìn)入軸與軸承表面之間，容易造成軸與軸承表面之間嚴(yán)重的磨粒磨損。對(duì)于淺油腔動(dòng)靜壓軸承，淺腔與主軸的間隙設(shè)計(jì)為0.03 mm，也會(huì)存在這樣的問(wèn)題，即磨粒不易被沖走。

(3)由于陶瓷硬度比一般金屬的硬度還高，與軸的硬度匹配不佳，軸的磨損比軸承要嚴(yán)重。對(duì)這一點(diǎn)作者認(rèn)為，可在主軸金屬材料表面沉積硬質(zhì)薄膜，如類金剛石薄膜(DLC)和非晶氮化碳(α －CNx)薄膜。碳基薄膜不僅具有高硬度、高熱導(dǎo)率和低摩擦因數(shù)，還具有極好的耐蝕性和生物相容性，在水中顯示出優(yōu)異的減摩抗磨的性能［9］。

但理論上講，動(dòng)靜壓軸承的主軸是被水膜懸浮起來(lái)的，而偏心越大時(shí)承載力會(huì)急劇增大，那么主軸與軸承實(shí)際接觸的可能性并不很大，當(dāng)然高承載力要依賴于較高的泵水壓力和較高的主軸轉(zhuǎn)度。

(4)陶瓷材料難以加工，精密級(jí)部件的加工更加困難，而水潤(rùn)滑軸承要求軸承間隙很小(約0.015 mm)，要求的精度等級(jí)很高(約5 級(jí)精度)，加工將更加困難。但近年來(lái)，隨著金剛石、立方氮化硼加工工具的發(fā)展，磨削成為精密陶瓷滑動(dòng)軸承部件制造的主要方法，其精度可達(dá)到微納米級(jí)，只是制造成本相對(duì)昂貴。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)高速電主軸主軸支撐方案進(jìn)行了分析，提出在高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷工況要求下，水潤(rùn)滑動(dòng)靜壓滑動(dòng)軸承是一種可行的主軸支撐解決方案;并從提高主軸剛度、阻尼和回轉(zhuǎn)精度等角度出發(fā)，選擇了兩種可用于水潤(rùn)滑的軸承的匹配材質(zhì)，為電主軸主軸支撐設(shè)計(jì)提供參考。

【1】李松生，裴翠紅，王永堅(jiān).高速精密角接觸球軸承支承特性分析［J］.軸承，2001(2):11 －14.

【2】孫恭壽，馮明.液體動(dòng)靜壓混合軸承設(shè)計(jì)［M］.北京:世界圖書(shū)出版公司，1993.

【3】郭力.動(dòng)靜壓軸承動(dòng)特性研究［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，1995(10):78 －83.

【4】陳伯賢，裘祖干，張惠生.流體潤(rùn)滑理論及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

【5】宋貴亮.高速液體動(dòng)靜壓混合軸承的理論研究與設(shè)計(jì)應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2000(3):21 －22.

【6】許尚賢.液體靜壓和動(dòng)靜壓滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)［M］.南京:東南大學(xué)出版社，1989.

【7】SASAKI S. The Effects of Water on Friction and Wear of Ceramics［J］.J Jap Soc Luburication Eng，1988，33(8):620 －628.

【8】XU J，KATO K，HIRAYAMA T. The Transition of Wear Mode during the Running-in Process of Silicon Nitride Sliding in Water［J］.Wear，1997，205(1/2):55 －63.

【9】周飛，戴振東，加藤康司.碳基薄膜水潤(rùn)滑性能的研究進(jìn)展［C］//第六屆全國(guó)表面工程學(xué)術(shù)會(huì)議，2006:805 －810.